TFT-LCD摩擦工艺ESD研究与改善

高荣荣, 周保全, 江 桥, 滕 玲, 陈维诚, 左爱翠, 郭红光, 韩基挏

(合肥京东方光电科技有限公司 Cell分厂，安徽 合肥 230012)

1 引 言

TFT-LCD制程过程中摩擦工艺很容易发生ESD,这种ESD对TFT器件影响较大，可以烧毁TFT器件沟道使面板点亮时产生异常[1]，严重影响产品品质同时变相增加了面板成本，所以ESD需要从根本上改善。

本文以6G工厂中生产的317.5 mm(12.5 in)产品为例，研究在摩擦过程中ESD问题。ESD容易导致面板区域多个连续TFT器件沟道烧毁，面板点灯状态表现为半截亮线。通过不良分析和实验测试找出工艺和设计改善方法，从根本上解决摩擦过程中ESD问题。

2 ESD现象与特点

2.1 ESD器件烧毁现象

面板在点亮时可以看到ESD烧毁TFT器件沟道产生的一条短亮线，短亮线所有画面下均可见，目镜(×20)观察短亮线为像素发亮，一般为连读几个像素都会发亮，宏观表现为一条短的亮线，如图1所示。

图1 亮线现象Fig.1 Phenomenon of data open

显微镜确认短亮线区域TFT器件沟道有异常痕迹(图2)，且FIB确认可见TFT沟道区域内部膜层有烧毁现象(图3)。

图2 亮线显微镜照片Fig.2 Microscope phenomenon of data open

图3 静电烧毁FIB图片Fig.3 FIB picture of ESD

3 ESD原理

摩擦工艺中，摩擦布摩擦TFT玻璃基板，由于TTF基板上有金属层。摩擦布和TFT基板摩擦过程中产生静电，当静电积累到一定程度发生放电，放电瞬间产生的大电流烧毁TFT器件[2]，导致TFT器件无法正常工作，在面板点亮时，异常器件的像素区域表现为发亮，表现在面板上为短亮线。

摩擦工艺是TFT-LCD行业中使液晶分子配向工艺[3]，即摩擦布在TFT基板上高速运转相互摩擦，最终摩擦布使TFT玻璃基板上的配向膜具有配向能力[4],液晶分子可以按照一定顺序排列在配向膜上，如图4所示。

图4 摩擦工艺示意图Fig.4 Rubbing process

在摩擦工艺中，摩擦辊的转速1 200 r/min，基板前进的速度为50 mm/s, 摩擦布的压入量为0.4 μm[5]，实际摩擦工艺中摩擦布和玻璃基板高速摩擦时容易产生大量摩擦静电，静电在基板上释放过程中容易烧毁玻璃基板上的TFT器件沟道[6]。对玻璃基板上TFT器件烧毁的线路进行确认，发现异常放电的原因为TFT基板IC交界位置处有大块金属，大块金属电容较大，摩擦过程中聚集大量电荷容易放电产生大电流，烧毁线路上比较薄弱的器件沟道位置即发生ESD。

4 实验设计

本文实验测试在TFT-LCD 6G工厂中进行，选取317.5 mm(12.5 in)产品为例进行测试，每次实验测试都是单变量测试，实验中除了测试变量外其他生产工艺均相同，最后样品做成产品形式，再点灯对样品进行ESD发生与否判定,同时对不良样品显微镜确认器件沟道是否有烧毁痕迹，最后综合统计ESD的发生率。

4.1 工艺影响

4.1.1 摩擦设备湿度对ESD 的影响

在摩擦工艺中，设备湿度影响摩擦过程中产生的静电。我们对摩擦设备的湿度进行测试验证，设计实验如表1所示。

表1 不同湿度设计Tab.1 Design of different humidity

4.1.2 设备机台涂布防静电液对ESD的影响

设备机台涂布防静电液形成极薄的透明膜，提供持久高效的静电耗散功能，对摩擦设备机台涂布防静电液和不涂布防静电液进行测试验证，设计实验如表2所示。

表2 机台涂布防静电液设计Tab.2 Design of electrostatic prevention

4.1.3 摩擦布寿命对ESD影响

选取摩擦布不同寿命对玻璃基板进行摩擦，设计实验如表3所示。

表3 不同摩擦布寿命设计Tab.3 Design of different rubbing clothing lift time

4.2 设计影响

ESD放电源头是TFT基板上IC中间位置大块金属在摩擦工艺中产生大量电荷，电荷对周边金属信号线放电，烧毁与输入信号线连接的TFT器件沟道，导致面板点亮时产生短亮线,对面板画质产生影响。

产品设计时把悬空大块金属变为小块金属，且小块金属的排列为交错排列，如图5所示,防止在摩擦过程中积累大量电荷发生ESD。

图5 大块金属设计变更示意图Fig.5 Design change of floating large metal

5 结果与讨论

5.1 工艺方面

5.1.1 摩擦设备湿度对ESD影响结果

从图6可以看出，摩擦设备湿度增加，ESD发生率降低。当湿度达到64RH%时，ESD发生率0.51%。

图6 不同湿度对应ESD发生率Fig.6 Result of different humidity

当湿度等于64RH%，空气的相对湿度增加，玻璃基板表面增加水膜，使表面电阻率大大降低，静电荷就不易积聚，积累电荷量变少。摩擦过程中产生的ESD减小[7]，最终对TFT器件的损伤减小，产品不良率降低。

当湿度等于58RH%，摩擦工艺中产生的静电不易消散，有可能形成高电位。容易在摩擦过程中产生ESD[8]。所以当摩擦设备湿度较低时容易发生ESD，损害玻璃基板上的TFT器件。

5.1.2 设备机台涂布防静电液对ESD的影响

从图7可以看出，摩擦设备机台涂布防静电液， ESD发生率明显降低为1.2%。

图7 有无防静电液ESD发生率Fig.7 Result of electrostatic prevention

玻璃基板放置在设备机台上，如图8所示。机台上涂布防静电液时，防静电液涂在玻璃基板背面，可以形成极薄的透明膜，提供持久高效的静电耗散功能，能有效消除摩擦产生的静电积聚[9]，所以涂布防静电液后ESD比例明显降低。

图8 摩擦设备涂布防静电液Fig.8 Anti-static fluid on EQP stage

5.1.3 不同摩擦布寿命对ESD影响

从图9可以看出，随着摩擦布寿命增加，ESD发生率升高。

图9 摩擦布寿命对应ESD发生率Fig.9 Result of rubbing clothing lift time

随着摩擦布寿命的增加，摩擦布的布毛经过多次摩擦后可能积累了电荷或者是材质有一定变化， ESD发生率明显升高。

5.2 设计方面

5.2.1 玻璃基板悬空的大块金属对ESD影响

从图10可以看出，设计方面上IC中间位置的大块金属变更为小块金属，不良率降低为0%。

图10 大块金属变更ESD发生率Fig.10 Result of floating large metal

大块金属变为小块金属时，平行版电容器电容变小，储存电荷的能力变小，电容公式如下：

(1)

变更前电容：

(2)

(3)变更后电容：

(3)

其中:S为金属交错面积，大块金属变更为小块金属后，S变小导致C变小。电容器容量变小[10]。摩擦过程中金属上聚集电荷变少则不容易发生ESD。

6 结 论

G6工厂生产12.5 FHD产品通过设计变更将TFT基板上IC中间位置大块金属变更为小块金属，从而降低在摩擦过程中的静电积累， ESD发生率由20%下降到0%。

通过对摩擦工艺ESD研究，找出设计方面和工艺方面改善摩擦静电的方案。设计方面可以尽量避免大块金属的设计, 大块金属在摩擦过程中容易积累电荷发生ESD，烧毁线路，造成产品不可恢复的损害。工艺方面可以通过提升设备湿度，以及机台涂布防静电液或者管控摩擦布的寿命等方法降低摩擦过程中ESD。ESD的理论分析与研究结果为后续摩擦静电提供了改善方向，提高产品品质，增加公司效益。